Xây dựng cấu trúc hệ điều khiển với 2 mạch vòng dòng điện và tốc độ dùng phương pháp vetor trực tiếp và mô phỏng hệ điều khiển trong simulink

Lời nói đầu Hiện nay, động pha không đồng rotor lồng sóc sử dụng rộng rãi công nghiệp sống Từ công suất nhỏ, trung đến công suất lớn chúng dần thay động chiều có nhiều tính ưu việt như: kết cấu đơn giản, độ bền cao, dễ bảo trì, chi phí thấp, sử dụng trực tiếp lưới điện Trong loại động không đồng động không đồng roto lồng sóc sử dụng nhiều Chúng sử dụng máy nghiền, máy khuấy, ba lăng vận tải, máy bơm, quạt thông gió, quạt giải nhiệt… Và năm gần đây, phương pháp điều khiển động sử dụng điều khiển vector (vector control) đặc biệt quan tâm Sự phát triển vũ bão kĩ thuật với giá thành ngày hạ cho phép thực thành công kĩ thuật điều chỉnh phức tạp loại rotor lồng sóc Trong đồ án này, chúng em xây dựng cấu trúc hệ điều khiển với mạch vòng dòng điện tốc độ dùng phương pháp vetor trực tiếp mô hệ điều khiển Simulink Trong trình thực đồ án, chúng em xin chân thành cảm ơn hướng dẫn nhiệt tình thầy Tạ Cao Minh giúp chúng em hoàn thành đồ án Tuy nhiên kiến thức hạn chế thời gian có hạn nên không tránh khỏi thiếu sót Mong cảm thông đóng góp chân thành thầy cô để đồ án hoàn chỉnh Chúng em xin chân thành cảm ơn !!! Hà Nội, tháng 12 năm 2014 Sinh viên thực hiện: Đề bài: Cho động không đồng pha rotor lồng sóc : Pdm= 2.2 KW, fdm= 50Hz, UL-L dm= 220 V, ndm =1430 rpm, J= 0.015kg.m2 , cos Ψdm=0.85, Rs= 0.87, Rr = 1.47Ω, Ls=Lr= 165,1 mH, Lm= 160.8 mH Dòng điện trục d định mức Idđm =4,1 A Yêu cầu: Mô hình hóa động phương pháp hàm truyền Xây dựng cấu trúc hệ điều khiển với mạch vòng dòng điện tốc độ dùng phương pháp vetor trực tiếp Mô hệ điều khiển Simulink, lấy đặc tính điều khiển( tốc độ, dòng điện ) vùng tốc độ vùng điều khiển giảm từ thông tốc độ Chương 1: Mô hình động không đồng pha rotor lồng sóc phương pháp hàm truyền Sơ đồ thay động không đồng (ĐCKĐB) pha : Hình Sơ đồ thay động Phương trình điện áp stator: s= sIs+ Ψ Phương trình điện áp rotor: r=0= r.Ir- jw r+ Phương trình từ thông: (1) Ψ (2) s= Ls s+ Lm r (3) r= Lm s+ Lr r (4) Trong : Rs: điện trở stator s: vector điện áp stator Rr: điện trở rotor r: vector điện áp rotor Ls: điện cảm stator s: vector dòng điện stator Lr: điện cảm rotor r: vector dòng dòng điện rotor Lm: hỗ cảm dây s: vector từ thông stator δ: hệ số tản r: vector từ thông rotor Ta có : Từ (3) (4) : Lr Ψs= Ls.Lr.Is+ Lm.Lr.Ir Lm Ψr= L2m Is+ Lm.Lr.Ir → Lr Ψs- Lm Ψr= (Ls Lr-L2m) Is → Ψs = Is+ Ψr Thay vào (1) ta : Us= Rs Is+ Từ (2) (4) : Ψ + Ψ Ψ (*) Ψ (**) Thay vào (*) ta được: Us= Rs.Is+ → jw ΨrΨ Ψ Đặt : Ts=Ls/Rs Tr=Lr/Rr δ=1- /(Lr.Ls) Ψ Ψ Từ ta có mô hình động theo tọa độ dq sau:  di sd  1  1 ' 1 i sd   s i sq      rd   rq'  u sd  Tr  Ls  Ts Tr   dt  di    sq   s i sd      i sq     rd'     rq'  u sq  T   dt  Tr Ls  s Tr   ' 1 '  d rd '  dt  T i sq  T  rd   s    rq r r  '  d rq 1  i sq   rq'   s    rd'  Tr Tr  dt Phương trình momen : mM  pc  s  i s    pc  r  i r  3 Phương trình chuyển động : mM= mT+ J Trong : - mT : momen tải - J : momen quán tính - w : tốc độ động Từ phương trình ta xây dựng mô hình động hệ tọa độ dq phần mềm matlab Simulink sau: Hình Mô hình động rotor lồng sóc hệ tọa độ dq ( hệ tọa độ từ thông rotor) 2.Tính toán thông số động cơ: Tốc độ đồng bộ: n=60f/p = 60.50/2=1500 (vg/ph) Hệ số trượt định mức: Tốc độ quay định mức: =(n= )/n=(1500-1430)/ 1500 =0,047 2п/60= 1430.2п/60 = 149,75 (rad/s) Momen định mức trục động cơ: Mdm= Pdm/ = 2,2 / 149,75= 14,69 (N/m) Ta có: = 3/2.p.L2m/Lr Suy ra: dòng điện trục q định mức : = = 7,63(A) → dòng điện stator định mức: Isdm= =8,66 (A) Momen trục động : M= Hình Đặc tính động 3.Kiểm chứng mô hình động xây dựng với khối mô hình động matlab Simulink 3.1 Kết mô với mô hình động xây dựng chạy file.m để tính toán thông số động cơ: clc; % tham so dong co Rs=0.87; Rr=1.47; Ls=0.1651; Lr=0.1651; Lm=0.1608; p=2; J=0.015; % tham so tinh toan teta=1-Lm*Lm/(Ls*Lr); Tr=Lr/Rr; Ts=Ls/Rs; T=1/(1/(teta*Ts)+(1-teta)/(teta*Tr)) Chạy chương trình mô thu đặc tính sau: Chương : Điều khiển vector động không đồng Lịch sử - Động KĐB: 1888 Tesla sáng chế - Trong khoảng thời gian dài động KĐB sử dụng cho ứng dụng có tốc độ không đổi quạt gió lò cao, máy bơm nước, bang chuyền… Việc điều khiển tốc độ động ĐCĐMC đảm nhiệm - 1950 : Ra đời power electronic devices (PE Devices) - 1960 : Vi xử lí DSP, MP - 1990 trở : vector control : chuẩn hóa điều khiển ĐKB → sử dụng biến tần để điều khiển động KĐB CN - Biến tần: Cài đăt thuật toán , vector control - FOC : Servo - 1987 : DTC - DTC & FOC khác nhau, DTC nhanh chục lần so với FOC Chuyển tọa độ abc-dq Tại lại chuyển abc dq? Khó khăn điều khiển động KĐB: - Phương trình điện - Phương trình từ thông → phương trình điện từ - Phương trình động học → Tổng số 10 pt Mặt khác pha a,b,c mà không cân →r, L khác 10 Xét hệ tọa độ quay dq : = Nếu Is quay không làm thay đổi d,q quay với với vận tốc ɷs = + Is quay → dq quay theo tốc độ ɷs → hình chiếu Is xuống dq không đổi (khi Is= const ) Vì xây dựng ĐCKĐB hệ tọa độ quay dq số phương trình mô tả động : phương trình điện: - Vd= Vq= P/t điện từ : M= 3/2.p P/t động học : M-Mc = J Chương Nguyên lí điều khiển vector Nguyên lí điều khiển Momen điện từ động sinh tương tác từ trường rotor dòng stator M ~( M= 3/2.p 12 Nếu ta chọn trục d trùng → =0 → M=3/2.p Nếu =const FOC theo FOC theo điều khiển I điều khiển momen giống ĐCMC: M=kФI , m ( từ trường móc vòng ) r tối ưu: từ thông rotor tương tác với dòng stator phải làm việc với Ir phải làm việc với mạch từ hóa =Lm Ids →M= 3/2.p.L2m/Lr.Ids.Iqs : Ids thành phần sinh từ thông dòng Is Iqs thành phần sinh momen dòng Is Sơ đồ điều khiển 13 Hình Sơ iều khiển ộng nhánh song song d,q Nhánh d: điều khiển dòng ids điều khiển Ψdr Nhánh q: điều khiển dòng iqs→ điều khiển M 2/3 Io= ( tổng hợp pha cân bằng) 14 = Chương 4: Thiết kế mạch vòng điều khiển cho động Mô hình điều khiển động KĐB phương pháp vector trực tiếp(FOC) Hình 6: Cấu trúc iều khiển ộng phương pháp vector trực tiếp 15 Phương pháp điều khiển vector trực tiếp nghĩa tính trực tiếp thông qua việc đo dòng điện điện áp động qua mô hình ước lượng từ thông để tính góc lệch từ thông Khi điều khiển vùng tốc độ từ thông giảm cách điều khiển Isd ~ 1/w Tổng hợp mạch vòng điều khiển dòng điện Hình7: mạch vòng iều khiển dòng iện - Tính toán cảm biến dòng điện Ki = ; Ti =0.001 (s) =10(V) =4,1(A) =7,63(A) Suy ra: hàm truyền cảm biến dòng : = hàm truyền cảm biến dòng : = 16 - Hàm truyền động cơ: = = - Tính hàm truyền biến đổi: = = =22 = Hàm truyền biến đổi là: Suy ra: Hàm truyền đối tượng điều khiển: = = Trong đó: = = + T= =0,19(s) Áp dụng cho tiêu chuẩn tối ưu module với hàm truyền: = Hàm truyền điều khiển dòng điện kiểu PI là: 17 = Như hàm truyền mạch kín là: F(s)= Để F(s)= Suy ra: K =2 F(s)= Như ta tìm điều khiển dòng điên: = Với =T =2 Thay thông số tính toán ta tìm điều khiển dòng = ( điều khiển kiểu PI với =0,36 =1,9) = ( điều khiển kiểu PI với =0,66 =3,5) Suy hàm truyền mạch vòng dòng điện: F(s)= = Tổng hợp mạch vòng điều khiển tốc độ 18 Hình 8: Cấu trúc mạch vòng tốc ộ ộng ĐBNCVC Khi tổng hợp mạch vòng tốc độ, ta coi toàn mạch vòng dòng điện hàm theo chuẩn tối ưu module coi thành phần Ws.Ls nhiễu nên ta có mạch vòng điều khiển tốc độ Tính toán cảm biến tốc độ: = , = 0,001 (s) Hàm truyền đạt cảm biến tốc độ: = Hàm truyền đối tượng điều khiển tốc độ: (s)= Với =4,33 (s); Theo chuẩn tối ưu module chọn hàm chuẩn: 19 = Bộ điều khiển Rω là: = = Loại bỏ thành phần bậc cao: Ta chọn = Suy = = = =11,92 Ta thấy điều khiển tốc độ trở thành khâu tỉ lệ đơn giản nên triệt tiêu sai lệch tĩnh có nhiễu tải Phương pháp tổng hợp chuẩn tối ưu đối xứng sau khắc phục nhược điểm đó: Chọn hàm chuẩn theo tối ưu đối xứng: = Với = chọn = = Ta điều khiển PI cho điều khiển tốc độ sau: )=11,9+ Cấu hình điều khiển với mạch vòng dòng điện tốc độ cho động 20 Hình 9: cấu hình iều khiển với mạch vòng dòng iện tốc ộ Chương 5: Các đặc tính điều khiển thu Cấu trúc điều khiển với mạch vòng dòng điện tốc độ 21 Hình 10: cấu trúc iều khiển với thông số ã tính toán ược Với thông số điều khiển tính toán trên: = ( điều khiển kiểu PI với =0,36 =1,9) = ( điều khiển kiểu PI với =0,66 =3,5) )=11,9+ Hàm truyền biến đổi là: Hàm truyền động cơ: dòng : = = Hàm truyền cảm biến = Hàm truyền cảm biến dòng : 22 = Hàm truyền đạt cảm biến tốc độ: = Các đặc tính điều khiển thu a Đáp ứng tốc độ dòng điện chế độ định mức b Đáp ứng tốc độ dòng điện vùng tốc độ (w=70 rad/s) 23 c Đặc tính tốc độ dòng điện vùng điều khiển giảm từ thông (trên tốc độ bản) 24 d Đáp ứng mômen 25 Nhận xét, ánh giá kết mô phỏng:  Dòng điện đáp ứng tính toán, tốc độ bám sát giá trị đặt  Không bị ảnh hưởng tác động lẫn dòng isd isq  Độ điều chỉnh khoảng tốc độ nhỏ khoảng 7%  Bị sụt tốc độ đóng tải sau tốc độ đáp ứng trở lại  Sai lệch tĩnh e∞  => Bộ điều khiển đáp ứng tiêu chuẩn điều khiển 26 [...]... xứng: = Với = và chọn = = Ta được bộ điều khiển PI cho bộ điều khiển tốc độ như sau: )=11,9+ 4 Cấu hình điều khiển với 2 mạch vòng dòng điện và tốc độ cho động cơ 20 Hình 9: cấu hình iều khiển với 2 mạch vòng dòng iện và tốc ộ Chương 5: Các đặc tính điều khiển thu được 1 Cấu trúc điều khiển với 2 mạch vòng dòng điện và tốc độ 21 Hình 10: cấu trúc iều khiển với các thông số ã tính toán ược Với các thông... Thiết kế mạch vòng điều khiển cho động cơ 1 Mô hình điều khiển động cơ KĐB bằng phương pháp vector trực tiếp( FOC) Hình 6: Cấu trúc iều khiển ộng cơ bằng phương pháp vector trực tiếp 15 Phương pháp điều khiển vector trực tiếp nghĩa là được tính trực tiếp thông qua việc đo dòng điện và điện áp ra của động cơ đi qua mô hình ước lượng từ thông để tính được ra góc lệch từ thông Khi điều khiển ở vùng tốc độ trên... vậy bộ điều khiển kiểu PI với =0,66 và =3,5) Suy ra hàm truyền mạch vòng dòng điện: F(s)= và = 3 Tổng hợp mạch vòng điều khiển tốc độ 18 Hình 8: Cấu trúc mạch vòng tốc ộ ộng cơ ĐBNCVC Khi tổng hợp mạch vòng tốc độ, ta coi toàn bộ mạch vòng dòng điện là hàm theo chuẩn tối ưu module và coi thành phần Ws.Ls là nhiễu nên ta có được mạch vòng điều khiển tốc độ như trên Tính toán bộ cảm biến tốc độ: = ,... tốc độ và dòng điện ở vùng dưới tốc độ cơ bản (w=70 rad/s) 23 c Đặc tính tốc độ và dòng điện ở vùng điều khiển giảm từ thông (trên tốc độ cơ bản) 24 d Đáp ứng mômen 25 Nhận xét, ánh giá kết quả mô phỏng:  Dòng điện đáp ứng đúng tính toán, tốc độ bám sát giá trị đặt  Không bị ảnh hưởng tác động lẫn nhau giữa 2 dòng isd và isq  Độ quá điều chỉnh khoảng tốc độ nhỏ khoảng 7%  Bị sụt tốc độ khi đóng... bộ điều khiển tính toán ở trên: = ( vậy bộ điều khiển kiểu PI với =0,36 và =1,9) = ( vậy bộ điều khiển kiểu PI với =0,66 và =3,5) )=11,9+ Hàm truyền bộ biến đổi là: Hàm truyền động cơ: dòng : = = Hàm truyền của bộ cảm biến = Hàm truyền của bộ cảm biến dòng : 22 = Hàm truyền đạt của cảm biến tốc độ: = 2 Các đặc tính điều khiển thu được a Đáp ứng tốc độ và dòng điện ở chế độ định mức b Đáp ứng tốc độ và. .. thông rotor tương tác với dòng stator phải làm việc với Ir phải làm việc với mạch từ hóa =Lm Ids →M= 3 /2. p.L2m/Lr.Ids.Iqs trong đó : Ids là thành phần sinh từ thông của dòng Is Iqs là thành phần sinh momen của dòng Is 2 Sơ đồ điều khiển 13 Hình 5 Sơ ồ iều khiển ộng cơ 2 nhánh song song d,q Nhánh d: điều khiển dòng ids điều khiển Ψdr Nhánh q: điều khiển dòng iqs→ điều khiển M 2/ 3 Io= ( tổng hợp 3 pha... cách điều khiển Isd ~ 1/w 2 Tổng hợp mạch vòng điều khiển dòng điện Hình7: mạch vòng iều khiển dòng iện - Tính toán bộ cảm biến dòng điện Ki = ; Ti =0.001 (s) =10(V) =4,1(A) =7,63(A) Suy ra: hàm truyền của bộ cảm biến dòng : = hàm truyền của bộ cảm biến dòng : = 16 - Hàm truyền động cơ: = = - Tính hàm truyền bộ biến đổi: = = =22 = Hàm truyền bộ biến đổi là: Suy ra: Hàm truyền của đối tượng điều khiển: ...Hình 4 Hệ tọa độ từ thông rotor dq = U sin ( w.t) = sin (wt- = sin ( wt+ ) = làm , , thay đổi 11 Xét trong hệ tọa độ quay dq : = Nếu Is quay không làm thay đổi do d,q quay cùng với với vận tốc ɷs = + Is quay → dq quay theo cùng tốc độ ɷs → hình chiếu Is xuống dq không đổi (khi Is= const ) Vì vậy nếu xây dựng ĐCKĐB trong hệ tọa độ quay dq thì số phương trình mô tả động cơ sẽ là : 2 phương trình điện: ... khiển: = = Trong đó: = = + T= =0,19(s) Áp dụng cho tiêu chuẩn tối ưu module với hàm truyền: = Hàm truyền bộ điều khiển dòng điện kiểu PI là: 17 = Như vậy hàm truyền mạch kín sẽ là: F(s)= Để F(s)= Suy ra: thì K =2 F(s)= Như vậy ta có thể tìm được bộ điều khiển dòng điên: = Với =T và =2 Thay các thông số tính toán ở trên ta tìm được bộ điều khiển dòng = ( vậy bộ điều khiển kiểu PI với =0,36 và =1,9)... P/t điện từ : M= 3 /2. p 1 P/t động học : M-Mc = J Chương 3 Nguyên lí điều khiển vector 1 Nguyên lí điều khiển Momen điện từ của động cơ sinh ra bởi sự tương tác giữa từ trường rotor và dòng stator M ~( M= 3 /2. p 12 Nếu ta chọn trục d trùng → =0 → M=3 /2. p Nếu =const FOC theo FOC theo điều khiển I thì điều khiển momen giống như ĐCMC: M=kФI , m ( từ trường móc vòng ) r là tối ưu: từ thông rotor tương tác với ... cầu: Mô hình hóa động phương pháp hàm truyền Xây dựng cấu trúc hệ điều khiển với mạch vòng dòng điện tốc độ dùng phương pháp vetor trực tiếp Mô hệ điều khiển Simulink, lấy đặc tính điều khiển( tốc. .. = chọn = = Ta điều khiển PI cho điều khiển tốc độ sau: )=11,9+ Cấu hình điều khiển với mạch vòng dòng điện tốc độ cho động 20 Hình 9: cấu hình iều khiển với mạch vòng dòng iện tốc ộ Chương 5:... cho động Mô hình điều khiển động KĐB phương pháp vector trực tiếp( FOC) Hình 6: Cấu trúc iều khiển ộng phương pháp vector trực tiếp 15 Phương pháp điều khiển vector trực tiếp nghĩa tính trực tiếp